Effect of Ice Loading of a GPS Antenna

The theoretical attenuation and reflection properties of RF signals at GPS frequencies are reviewed. Then the results of a series of tests conducted in May 1998 to determine the performance of Raytheon Systems’ WAAS antenna when covered with a layer of ice approximately 1.3 cm thick are presented. This type of testing is necessary as many of these antennas will be located at remote, unmanned stations and will be required to operate effectively under cold weather conditions. The effect of ice loading is quantified by observing changes in (1) the signal-to-noise ratio (SNR), (2) the position errors and (3) the number of cycle slips observed. The 1.25-cm wet surface ice loading led to a reduction in SNR of about 3 dB, a raw code horizontal differential position rms error increase of 1 m and a significant increase in the number of cycle slips observed. The 3 dB loss can be explained by the reflection of GPS signals at the air-ice interface in addition to attenuation of the signal transmitted through the ice. A simple model shows that most of this 3 dB loss is due to reflection. To verify this, further tests were conducted under colder temperatures in early January, 1999, using various ice thicknesses to analyse the effect of a dry ice surface. It is concluded that, for code solution positioning, under operational conditions, thin layers of ice should not be much of a concern. Cet article porte sur les propriétés théoriques d’atténuation et de réflexion des signaux RF dans le contexte des fréquences GPS. On présente ensuite les résultats d’une série de tests effectués au mois de mai 1998 afin de déterminer l’efficacité de l’antenne WAAS de Raytheon Systems lorsqu’elle est recouverte d’une couche de glace d’environ 1,3 cm d’épaisseur. Ce type de vérification s’avère nécessaire puisque plusieurs de ces antennes seront situées dans des endroits isolés à des postes laissés sans surveillance et devront bien fonctionner par temps froid. Les effets de l’accumulation de la glace sont évalués en observant les changements (1) du rapport signal-bruit (SNR), (2) des erreurs de positionnement et (3) du nombre de glissements de cycle qu’on a observés. L’accumulation de 1,25 cm de glace sur la surface mouillée a provoqué une réduction du SNR d’environ 3 dB, l’écart-type du positionnement différentiel horizontal du code brut s‘est accru de 1 m, et on a aussi observé une nette augmentation du nombre de glissements de cycle. La perte de 3 dB s’explique par la réflexion des signa